涡轮结构设计
慕课航空燃气涡轮发动机结构设计课后
慕课航空燃气涡轮发动机结构设计课后慕课航空燃气涡轮发动机结构设计课程，是航空工程专业必修的一门课程。
通过学习这门课程，我们可以了解到航空燃气涡轮发动机的基本结构设计原理和方法。
本文将从涡轮发动机的构成、主要部件的设计和优化等方面进行探讨。
一、涡轮发动机的构成航空燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室、涡轮和喷管等四个部分组成。
压气机负责将空气进行压缩，增加压力和温度，以提供给燃烧室进行燃烧。
燃烧室将燃油喷入其中，并与压缩空气进行混合燃烧，产生高温高压的气体。
涡轮通过高温高压气体的冲击和推动，带动压气机和燃烧室的运转。
喷管则负责将高速高温的尾流排出，产生推力。
二、主要部件的设计与优化1. 压气机的设计与优化：压气机是涡轮发动机的核心部件之一，其设计与优化对发动机性能有着重要影响。
在设计过程中，需要考虑叶片的数量、压比、压气机级数等参数。
通过优化叶片的形状和布局，可以提高压气机的效率和性能。
2. 燃烧室的设计与优化：燃烧室的设计与优化主要涉及燃油喷射、燃烧过程和燃烧室的结构等方面。
在设计过程中，需要考虑燃油的喷射方式、喷油嘴的位置和角度等参数。
通过优化燃烧室的结构和燃烧过程，可以提高燃烧效率和减少污染物的排放。
3. 涡轮的设计与优化：涡轮是涡轮发动机的核心部件之一，其设计与优化对发动机性能和寿命有着重要影响。
在设计过程中，需要考虑叶片的材料、形状和布局等参数。
通过优化叶片的结构和流动特性，可以提高涡轮的效率和寿命。
4. 喷管的设计与优化：喷管是涡轮发动机的尾流排出部件，其设计与优化对发动机的推力和燃油消耗有着重要影响。
在设计过程中，需要考虑喷管的形状、长度和喷嘴的数量等参数。
通过优化喷管的结构和流动特性，可以提高喷管的推力和减少燃油消耗。
三、结语航空燃气涡轮发动机结构设计是航空工程专业的重要课程，通过学习这门课程，可以了解到涡轮发动机的基本结构设计原理和方法。
本文对涡轮发动机的构成和主要部件的设计与优化进行了探讨。
燃气轮机涡轮叶片结构的优化设计与强度分析
燃气轮机涡轮叶片结构的优化设计与强度分析引言燃气轮机是现代工业中广泛使用的一种能源转换装置，其核心部件是涡轮叶片。
涡轮叶片的优化设计和强度分析对于提高燃气轮机的性能和安全性至关重要。
本文将探讨燃气轮机涡轮叶片结构的优化设计方法以及强度分析技术。
涡轮叶片结构优化设计在涡轮叶片结构的优化设计中，需要考虑的因素有很多，包括气动性能、材料强度和制造成本等。
其中，气动性能是最为关键的因素之一。
通过优化叶片的几何形状和叶片间距，可以改善叶片的流体动力学性能，提高燃气轮机的效率和功率输出。
同时，也需要考虑叶片的结构强度，以确保叶片在高速旋转的工作条件下不会发生破裂或失效。
为了实现涡轮叶片结构的优化设计，可以采用数值模拟和实验验证相结合的方法。
数值模拟可以通过计算流体力学（CFD）分析，预测叶片的气动性能。
在此基础上，可以使用优化算法对叶片的几何形状进行修改，以达到所需的气动性能指标。
同时，为了验证数值模拟结果的准确性，还需要进行实验验证。
实验可以通过风洞试验或实际燃气轮机测试来进行，以验证优化设计后的叶片在实际工况下的性能表现。
强度分析技术涡轮叶片在高速旋转的工作条件下，承受着巨大的离心力和气动载荷。
为了保证叶片的结构强度和安全性，需要进行强度分析。
传统的强度分析方法主要包括有限元分析（FEA）和应力试验。
有限元分析是一种数值计算方法，可以通过将叶片划分为许多小的有限元单元，在每个有限元内计算叶片的受力情况。
通过对有限元分析的结果进行评价，可以确定叶片在不同工况下的强度和变形情况。
然而，由于叶片结构的复杂性，有限元分析可能需要处理大量的网格单元，导致计算时间较长。
为了验证有限元分析的结果，应力试验是不可或缺的。
应力试验可以通过加载已制备好的叶片样品，测量叶片的变形和应力，从而判断叶片的强度是否满足设计要求。
然而，应力试验具有局限性，例如样品数量有限，无法考虑到叶片的实际工作环境等。
结语燃气轮机涡轮叶片结构的优化设计和强度分析对于提高燃气轮机的性能和安全性具有重要作用。
航空发动机结构-第五章-涡轮结构设计
2.1 工作叶片
❖涡轮叶片的无螺栓锁紧
2.1 工作叶片
❖ 6.冷却叶片 对流冷却 气膜冷却 带导流板 复合冷却
2.1 工作叶片
❖ 6.冷却叶片
对流换热 冲击冷却 气膜冷却
高压涡轮叶片
高压涡轮叶片
2.1 工作叶片
❖ 7.叶片材料
涡轮部件对材料的要求：
❖高温下高的持久强度， ❖蠕变强度，疲劳强度， ❖热稳定性，好的物理性质和工艺性。
第五章 涡轮结构设计
❖轴流式涡轮 ❖向心式涡轮
第三讲 涡轮结构设计
❖ 第一节 概 述 ❖ 第二节 涡轮转子 ❖ 第三节 涡轮静子 ❖ 第四节 涡轮部件的冷却
燃气涡轮工作原理
❖冲击式涡轮
❖反作用力涡轮
第一节 概 述
❖ 1.1 涡轮部件的特性
温度：温度高、温度不均、工况变化； 转速：转速高-离心负荷大、平衡困难； 功率：叶片平均功率大、级数少。
❖ 4.1 断轴可能性：
低压转子轴细而功率大， 风扇进口大易受外来物打伤卡死引起转子扭断。
❖ 4.2 危害性：
超转，飞转危险极大。 例如：CAAC 1988年5月30日TY154 (D30KY-154)
❖ 4.3 设施：
JT15D，SPEAY利用轴的移切断油路 利用转子叶片与静子相碰而刹车
短螺栓连接
2 盘--盘连接
盘上开孔螺栓连接
2 盘--盘连接
盘上开孔螺栓连接
2 盘--盘连接
长螺栓连接
第三节 静 子
❖ 组成：
机匣和导向器
❖ 导向器包括：
外环、叶片、内环
3.1 机匣
❖ 设计要求：
装配问题：连接时要保证工作定心及周向位置。 定位：径向定位、周向定位。 安装边：外冷内热存在热应力。 加工方法：铸造、锻件、板料焊接。
航空燃气涡轮发动机结构设计
HP 0-2-0 LP 1-2-0
2.3 三转子支承方案
HP 1-0-1 I P 1-2-1 LP 0-2-1
RB199
2.4 滚珠轴承位置
一般原那么 1.尽可能不放在涡轮附近； 2.相对安装节轴向位移最小处； 3.在双支点中均放在压气机之前； 4.在三支点中大多数放在压气机之后。
涡喷六〔WP-6〕发动机
带有加力燃烧室的单转子涡喷发动机 〔中国〕 用于
歼六 强五
使用WP-6发动机的飞机
2. 1 单转子的支承方案
三支点 〔1-2-0〕 涡喷-6 (WP-6)
雅克-15 米格-9
РД-20发动机
苏联制造 用于
米格-9〔前苏联〕
2.1 单转子的支承方案
四支点〔1-3-0〕РД-20
2. 1 单转子的支承方案
浮动套齿联轴器
2. 1 单转子的支承方案
两支点方案特点 适用于刚性转子 一般情况下后支点位于涡轮前 缩短转子长度 提高轴的刚度 支点环境温度高 后支点位于涡轮后 转子支点间跨度加大
2.1 单转子的支承方案
三支点方案特点 适用于轴向尺寸大的转子 必须解决“三点共线〞问题 采用柔性联轴器 提高转子、支承的加工精度
GE90
第四节 支承结构
第四节 支承结构
3. 供油方式： 直射喷油 轴下供油 甩油盘
第四节 支承结构
4. 封严方式： 篦齿封严 端面石墨密封 浮动环式封严 螺纹式封严
第四节 支承结构
蓖齿封油
蓖齿封气
第四节 支承结构
石墨块
端面石墨密封
第四节 支承结构
端面石墨封严
第四节 支承结构
螺纹式封严
3 圆弧端齿联轴器 “圆弧〞定心 端齿传扭 螺栓传递轴向力
风力涡轮机结构
风力涡轮机结构
风力涡轮机主要由塔筒、机舱、轮毂和叶片组成。
塔筒是风力涡轮机的支撑结构，它将机舱、轮毂和叶片举到高处，以获得更好的风能。
塔筒通常由钢材或混凝土制成，高度从几十米到上百米不等。
机舱位于塔筒顶部，内部装有风力发电机的核心部件，如发电机、变速箱、控制器等。
机舱还配备有各种传感器和监控设备，用于监测风力涡轮机的运行状态。
轮毂是连接叶片和机舱的部分，它将叶片的旋转传递到机舱内部的发电机。
轮毂通常由钢材制成，具有足够的强度和刚度来承受叶片的重量和旋转力。
叶片是风力涡轮机的核心部件，它通过捕获风能并将其转化为机械能来驱动发电机。
叶片通常由复合材料制成，如玻璃纤维和碳纤维增强塑料，具有轻质、高强、耐腐蚀等优点。
除了以上主要部件外，风力涡轮机还包括其他辅助设备，如偏航系统、刹车系统、电缆等。
这些部件协同工作，确保风力涡轮机能够高效、稳定地运行。
随着技术的不断进步，风力涡轮机的结构设计也在不断优化，以提高效率、降低成本和增强可靠性。
同时，为了适应不同的风场条件和应用场景，风力涡轮机的结构也在不断创新和发展。
航空发动机涡轮叶片结构的优化设计
航空发动机涡轮叶片结构的优化设计航空发动机是飞机的核心部件，其正常运转对于飞机的安全至关重要。
涡轮叶片作为发动机的核心部分之一，直接影响着发动机的效率、稳定性和寿命。
因此，涡轮叶片的优化设计是航空发动机研发中的重要课题之一。
涡轮叶片的功能主要是将高温高压的高速气流转化成旋转动能，并将旋转动能传递给涡轮轴。
因此，叶片的材料必须具有高温、高强等特性，同时还要具有良好的氧化、耐腐蚀和疲劳等耐久性。
为了满足这些要求，涡轮叶片通常采用高温合金材料制成。
除了材料的选择外，涡轮叶片的结构设计对于发动机的性能和寿命也有着至关重要的影响。
涡轮叶片的结构主要包括叶片的几何形状、表面处理和冷却等方面。
以下将分别从这三个方面探讨涡轮叶片的优化设计。
一、几何形状的优化涡轮叶片的几何形状对于发动机的效率和性能有着至关重要的影响。
过于粗大的叶片会增加通气阻力，降低发动机效率；而过于细小的叶片则会因受热量不足而易于断裂。
因此，设计中需在安全基础上追求最大的效率。
在几何形状的优化方面，一种常用的方法是采用空气动力学设计理论进行计算和优化。
该方法将叶片设计为具有流线型的几何形状，在飞行过程中能够有效地减小阻力和损耗，提高发动机的效率。
此外，还可以采用数值模拟和流场分析等方法进行叶片几何形状的优化。
数值模拟可以快速计算出不同叶片形状下的气动特性，流场分析可以帮助工程师更直观地了解气流在叶片表面的变化规律，进而对叶片进行优化设计。
二、表面处理的优化对于涡轮叶片来说，表面处理是保证其使用寿命和效率的关键。
表面处理通常包括氧化、电子束喷涂和高速切削等技术。
氧化技术是指在叶片表面形成一层氧化膜，其主要作用是增强叶片的耐热和抗腐蚀能力。
电子束喷涂则是将高温合金材料喷涂在叶片表面形成一层密封的金属涂层，能够有效地减小叶片表面的磨损和氧化，延长其使用寿命。
而高速切削技术则是利用高速刀具对叶片表面进行微小切削，以提高其表面光洁度和粗糙度，从而减小形成的气动阻力。
飞机涡轮发动机的设计与制造
飞机涡轮发动机的设计与制造飞机涡轮发动机是现代民用航空的核心技术之一，是实现飞行的最重要部件之一。
它是一种通过高速旋转的轴和叶片，将压缩空气喷射到燃烧室以燃烧燃料，产生高温高压气体驱动飞机前进的机械装置。
本文将从涡轮发动机的结构、原理、设计和制造等方面进行探讨。
一、涡轮发动机的结构与原理涡轮发动机主要由压气机、燃烧室、涡轮和喷射口四部分组成。
压气机是涡轮发动机的前部，它将外界大气压缩成高压气体，然后送入燃烧室。
压气机通常由多个旋转叶片和固定叶片组成，使气体以非常高的速度经过叶片，从而产生压力。
燃烧室是压气机后面的部分，主要是燃烧燃料并与压缩空气混合，形成高温高压气体。
燃烧室通常由若干个圆筒形部件组成，燃烧室内的高温气体被喷向涡轮。
涡轮是涡轮发动机的核心组件，它由高速旋转的轴和叶片组成。
当高温气体通过涡轮时，涡轮的叶片被气体推动，将旋转动能转换成压缩空气的机械能，同时也带动轴旋转。
喷射口是涡轮发动机的尾部，它是将压缩空气通过涡轮传递的机械能转化为喷射力的部分。
喷射口由喷筒、修正器和尾喷供气组成。
修正器和喷筒的形状和尾部形态都对喷射口的性能影响很大。
二、涡轮发动机的设计与制造涡轮发动机的设计与制造是非常复杂的过程。
从初期的概念设计到最终产品的运营，需要经过多个环节的研发和验证。
1. 概念设计在概念设计阶段，需要考虑涡轮发动机的整体结构、性能指标、动力性能、机械强度、燃料消耗量、噪声与环保等因素。
设计师需要依据研究成果和市场需求，确定合适的飞机类型，并优化设计方案。
2. 详细设计在详细设计阶段，需要进行严格的工程计算、流体力学仿真和领先的建模技术等，来确保推力、质量、燃油效率和钢材使用等方面的优化。
3. 制造工艺涡轮发动机的精密部件需要高质量的材料和精准的加工工艺。
如涡轮叶片需要使用钛合金材料，采用曲率修正热和表面锯齿磨削技术制造，进行精细的增强处理和调整。
此外，涡轮发动机的组装与检验也需要高精度的工作。
单向轴流式涡轮的设计原理与性能分析
单向轴流式涡轮的设计原理与性能分析引言：涡轮机作为一种常见的能量转换装置，广泛应用于航空、航天、能源和化工等领域。
单向轴流式涡轮作为其中的一种类型，具有简单、紧凑、高效的特点，在许多应用中发挥着重要的作用。
本文将对单向轴流式涡轮的设计原理及性能进行详细地分析与讨论。
一、设计原理1. 工作原理：单向轴流式涡轮是通过涡轮叶片与流体之间的作用力实现能量转换的。
当高速流体通过涡轮叶片时，会在叶片上施加一个冲击力，使叶片带动轴进行转动。
流体通过涡轮叶片时，流体的动能会转化为叶片和轴的机械能，从而实现能量的转换。
2. 结构组成：单向轴流式涡轮一般由叶片、轴、外壳和定子四个主要部分组成。
其中，叶片是能量转换的关键组件，其形状和数量通常根据实际应用需求来设计。
轴则负责将叶片上施加的力转化为机械能，以实现轴的旋转。
外壳则为涡轮提供良好的封闭环境，减少能量损失。
定子则通过其固定的结构保持涡轮的稳定运转。
3. 设计考虑：在单向轴流式涡轮的设计中，需要考虑多个因素以实现最佳性能。
首先是叶片的设计，叶片的形状和数量需要根据流体的流速和流量来进行优化，以实现最大的能量转换效率。
其次是轴的设计，轴的直径和材料选择需要满足涡轮的承载能力要求。
另外，外壳的设计应该尽量减小内部流体的损失，以提高涡轮的整体效率。
二、性能分析1. 能量转换效率：单向轴流式涡轮的能量转换效率是衡量其性能的重要指标。
能量转换效率可以通过涡轮的机械能输出与入口流体动能的比值来计算。
较高的能量转换效率可以提高涡轮的能量利用率，减小能量损失。
2. 流量特性：涡轮的流量特性是指涡轮在不同流量条件下的工作性能表现。
通常来说，涡轮在较小流量下容易出现旋转不稳定的情况，而在较大流量下容易出现流体离心现象。
因此，在设计涡轮时需要综合考虑不同流量条件下的流体特性，以实现稳定且高效的工作。
3. 压力比及效率：压力比是指涡轮在工作过程中能够提供的最大压强与入口压强的比值。
压力比越大，涡轮能够提供的压力差就越大，从而可以更有效地驱动后续设备。
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2.1 工作叶片
定向结晶 单向结晶
2006年3月28
涡轮结构设计
27
2.1 工作叶片
7.叶片材料
防护涂层
铝化物涂层抗氧化腐蚀； Cr抗硫化物腐蚀。
高温涂层
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涡轮结构设计
28
2.2 涡轮盘
1) 工作条件：
高转速 ， 温度沿半径方向分布不均匀
2)剖面形状：
一般为对称， 开孔--边缘加厚
2. 叶片结构设计：
带冠－－增加叶片间刚度和阻尼 带箍－－增加刚度和阻尼减振 切角调频－－防止叶片振动 叶尖喷涂耐磨涂层－可减小间隙 机匣涂易磨涂层 －减小叶片磨损
2006年3月28 涡轮结构设计 9
RR公司带冠高压叶片
2006年3月28
涡轮结构设计
10
带箍---WP7发动机涡轮
箍环
径向销钉连接 涡轮结构设计
33
2.3 转子结构
1. 盘--轴连接 焊接转子
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涡轮结构设计
34
2.3 转子结构
1. 盘--轴连接
短螺栓连接
2006年3月28
涡轮结构设计
35
2.3 转子结构
1. 盘--轴连接
圆弧端齿 (RB199)
2006年3月28 涡轮结构设计 36
2.3 转子结构
涡轮结构设计
20
2.1 工作叶片
6.冷却叶片 对流冷却 气膜冷却 带导流板 复合冷却
2006年3月28
涡轮结构设计
21
2.1 工作叶片
6.冷却叶片
对流换热 冲击冷却 气膜冷却
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涡轮结构设计
22
高压涡轮叶片
2006年3月28
涡轮结构设计
23
高压涡轮叶片
2006年3月28
涡轮结构设计
6
第二节 涡轮转子
组成:
涡轮盘 涡轮轴 工作叶片
2006年3月28
涡轮结构设计
7
2.1 工作叶片
1.叶身特点:
叶片厚且横截面弯曲大； 截面沿高度变化大； 叶栅通道为收敛形； 叶片作功量大； 通道形式多为等内径或等中径。
2006年3月28 涡轮结构设计 8
2.1 工作叶片
第三讲 涡轮结构设计
轴流式涡轮 向心式涡轮
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涡轮结构设计
1
第三讲 涡轮结构设计
第一节 概 述 第二节 涡轮转子 第三节 涡轮静子 第四节 涡轮部件的冷却
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涡轮结构设计
2
燃气涡轮工作原理
冲击式涡轮
反作用力涡轮
第一节 概 述
1.1 涡轮部件的特性
温度：温度高、温度不均、工 况变化； 转速：转速高-离心负荷大、 平衡困难； 功率：叶片平均功率大、级数 少。
1. 盘--轴连接
盘带短轴通过花 键与轴连接 多根长螺栓连接
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涡轮结构设计
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2.3 转子结构
2 盘--盘连接
径向销钉 焊接 短螺栓连接 盘上直接开孔螺栓连接 多根长螺栓连接
2006年3月28 涡轮结构设计 38
2 盘--盘连接
短螺栓连接
2006年3月28 涡轮结构设计 39
2 盘--盘连接
2006年3月28
盘上开孔螺栓连接 涡轮结构设计
40
2 盘--盘连接
盘上开孔螺栓连接
2006年3月28
涡轮结构设计
41
2 盘--盘连接
长螺栓连接
2006年3月28 涡轮结构设计 42
第三节 静 子
组成：
机匣和导向器
导向器包括：
外环、叶片、内环
2006年3月28
涡轮结构设计
2006年3月28
涡轮结构设计
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2.1 工作叶片
3. 榫头
1.工作条件：
轮缘温度为 500--650℃
2.要求：
自由膨胀、减少热应力、热传导性好、强 度好
3 结构特点:
多齿承载 、倒锥型 、间隙装入。
2006年3月28 涡轮结构设计 12
2.1 工作叶片
3. 榫头
大圆弧少齿
具有小的应力集 中 对工况的变化有 了好的适应力 加工相对简单 结构阻尼性能好
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涡轮结构设计
16
2.1 工作叶片
5.锁紧方式
锁片，挡板
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涡轮结构设计
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2.1 工作叶片
高寿命，高可靠性锁紧结构
2.1 工作叶片
5.锁紧方式
涡轮叶片无 螺栓槽向锁 紧
2006年3月28 工作叶片
2006年3月28
涡轮叶片的无螺栓锁紧
2006年3月28 涡轮结构设计 4
第一节 概 述
1.2 技术要求
高效率 尺寸小，结构紧凑 足够的高温强度 热定心好，热应力小 良好的冷却系统 适当选择材料
2006年3月28 涡轮结构设计 5
第一节 概 述
1.3 组成
静子－导向 器及机匣 转子及其支 承系统 冷却系统
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涡轮结构设计
24
2.1 工作叶片
7.叶片材料
涡轮部件对材料的要求：
高温下高的持久强度， 蠕变强度，疲劳强度， 热稳定性，好的物理性质和工艺性。
材料工艺的选择演变
A) 锻造 (60年代) B) 精铸 (70年代) C) 定向结晶(80年代)D) 单向结晶(80年代)
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3.1 机匣
设计要求：
装配问题：连接时要保证工作定心及周 向位置。 定位：径向定位、周向定位。 安装边：外冷内热存在热应力。 加工方法：铸造、锻件、板料焊接。
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涡轮结构设计
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3.1 机匣
机匣的定心
2006年3月28 涡轮结构设计
机匣防热应力
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3.1 机匣
机匣的销钉定心
3) 加工方法：
锻件、粉沫冶金热等静压制造； 非定位面喷丸可减少加工应力和表面 裂纹。（喷砂？）
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涡轮转子
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涡轮结构设计
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V2500 轮盘
涡轮转子
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涡轮结构设计
32
2.3 转子结构
1. 盘--轴连接
2006年3月28
2006年3月28
涡轮结构设计
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2.1 工作叶片
3. 榫头
小齿多齿结构
应力分布均匀 较好的温度分布 加工难度较大
2006年3月28
涡轮结构设计
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2.1 工作叶片
3. 榫头
双叶片
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涡轮结构设计
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2.1 工作叶片
4. 中间叶根(伸根) 作用:
降低叶片对盘的传 热 冷却空气导入 减小应力集中 伸根处可安装阻尼 材料
2006年3月28 涡轮结构设计 46
3.2 叶尖间隙控制
1.影响叶片与机匣间隙的因素：
机匣和叶片的蠕变； 转子与机匣偏心、机匣变形； 通道形式与支点的分布；